高回转精度多阶柱状微电极电化学高效制备试验研究

为实现高回转精度多阶柱状微电极的高效加工,对多阶柱状电极电化学刻蚀过程进行了深入的研究与改进。首先,根据电化学刻蚀理论推导了加工电流对电极直径变化的影响规律;通过试验证明了电极旋转可提高电流变化速率及有效起始电流进而提高加工效率,定性分析了电极旋转对电极回转精度的影响,提出了分阶变转速高效加工高回转精度多阶柱状微电极的方法;通过试验分析了各加工参数(电极转速、加工电压和切断电流)对电极形状及尺寸的影响;最后,在优化后的加工参数下,成功加工得到末端直径小于15μm且同轴度误差在1μm以内的多阶柱状微电极,与常规电化学刻蚀工艺相比,显著提高了加工效率。试验证明旋转电化学刻蚀是一种能够较好地提高微电极加工效率及回转精度的新工艺。     

微米尺度线电极的电化学腐蚀法制备

微细电化学线切割加工是最近出现的一种微细加工新方法。本文基于电化学腐蚀原理,制备微细电化学线切割加工中使用的微米尺度线电极。建立了腐蚀过程理论模型,通过测量线电极的电阻变化来实时监测线电极腐蚀过程中的直径大小,并基于虚拟仪器技术建立了线电极制备监控系统。通过试验对钨线电极的腐蚀过程进行分析,得出监控系统的直径计算值与实际值误差低于10%。最后,利用此方法制备出直径5μm的钨线电极。     

轴套内表面微结构掩膜电解加工模拟及试验研究

掩膜电解加工是金属基底表面织构化的有效手段,为了实现在轴套内表面阵列微结构的加工,进行了活动掩膜电解加工方法的仿真与试验研究。建立了活动掩膜电解加工有限元计算模型,通过数值计算分析了图形分布均匀性及掩膜厚度影响电流密度分布的规律和机理。结果表明:采用掩膜和阴极一体化的这种特殊电极结构形式,加工非均匀占空比图形时更有利于得到一致的加工深度;通过控制掩膜厚度与图形特征尺寸的关系,可以控制所加工的微结构底部形状。以仿真计算结论为依据进行了掩膜电解试验优化,并采用优化的工艺参数在轴套的内表面加工出了直径为100μm的微坑阵列。     

电火花加工多材质电极制备方法及试验研究

随着电火花加工技术的不断发展,利用多材质电极来实现微小复杂曲面的电火花成形加工,具有加工速度快、一次成形等特点而被广泛应用。针对多材质电极的制备,以黄铜、紫铜、铁、钼及铜钨合金等材质电极在模具钢上进行了加工试验,以研究的电极损耗及形状变化规律为基础,根据复杂曲面加工需求设计多材质电极,运用热镀法制备多材质电极,通过扫描电镜对多材质电极的成分和粘结效果进行检测,并以制备的黄铜-铁、紫铜-铜钨及黄铜-紫铜多材质电极进行试验加工,用电子放大镜观测多材质电极的损耗形貌和黏结质量。结果表明,运用热镀法制备的多材质电极连接紧密,在加工过程中不会出现开裂,能够良好地完成电火花加工。     

丘形柔性神经微刺激电极阵列

为了实现电极位点与靶细胞的良好接触,改善刺激效果,同时保证刺激电极自身安全,本文提出了一种具有圆滑外形的丘形柔性神经微电极阵列。以光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)为基质材料,利用光刻和金属层图形化结合电镀工艺,本文制作了6×6丘形柔性神经微电极阵列,每个电极位点底面直径为150μm,高度约为50μm。通过数值模拟、形貌观测和电学性能测试对制备的微电极进行了评价。实验结果显示,相对于传统的平面微电极阵列（具有相同底面积）,三维丘形电极位点的阻抗（@1kHz）降低了约4倍,可实现更有效的刺激。而相对于塔形电极,丘形电极则具有更均匀的表面电流密度分布,有利于电极长期工作的安全性。     

基于块电极反拷法的工具电极在线制作与修正

微细电火花技术在加工微小孔或具有复杂形状的零件时,由于工件尺寸较小,电极的制备比较困难。本文利用块电极反拷法在线制作和修正工具电极,所获得的电极同轴度较好,长径比L/R在30以上,平均直径为0.012mm,尖端直径在5μm左右。加工出了相应的微小孔,精度在±0.003mm。总结了反拷法的加工工艺特性和电参数的选择,为以后的MEMS器件加工提供好了有效的方法。     

一种新型卧式微电火花机床的设计与实验研究

针对微电极制作的效率问题,提出了一种快速在线微电极加工成形的方法,设计了一种新型卧式微电火花机床。该机床由金刚石砂轮超精密在线电极磨削、线电极电火花在线电极磨削共同完成微米级电极的高效精密制作,该机床组成部分还包括基于CCD的在线光学尺寸检测与测量系统、精密运动与进给系统、纳秒级独立式脉冲放电电源与放电状态检测反馈系统组成。在该机床上进行了微电极制作、微小孔加工以及微电火花铣削等实验,加工出直径为15μm微细轴和直径为50μm微小孔。     

基于线电极原位制作的微细电解线切割加工

微细电解线切割加工是一种微细加工新方法。从理论上分析了线电极直径大小对微细电解线切割加工精度的影响,提出了原位制作微米尺度线电极的方法,并制作出直径5μm的钨丝线电极。通过电解线切割加工试验,加工出缝宽为20μm左右的微型桨叶结构和曲率半径在1μm以下的微细尖角结构。     

利用小直径电极的电火花微细轮廓加工

近年来,随着微细加工技术的发展,开发出各种不同的加工方法。有的有希望用来制造微型机器和医疗器械用的零件。就亚微米尺寸加工而言,目前,虽然溅射和蚀剂等加工方法在半导体制造方面占主流,但不适于复杂3维形状的加工。在此之前,电火花微孔加工已显示出高精度加工的效果。以往还曾利用圆柱形电极在低损耗条件下进行过轮廓加工。然而,当采用微小直径电极加工时,由于电极损耗大幅度增加,使电极瑞部棱角产生圆弧R,因而不能实现高精度加工。与上述情况相比,日本三菱公司却积极地利用电极损耗来保持加工底面的棱角,以谋求实现高精度微细形状的加工。一、简单电极轮廓加工原理微细轮廓电火花加工,主要采用微小直径的管状电极,使其在旋转状态下进行加工,以实现所要求的加工轮廓(图1)。在以往,主要是借助于圆柱状电极的侧面来进行轮廓加工见,如图2(a)所示,而微细轮廓加工则利用电极的底面,边反     

基于三维形状检索的电极成组分类算法研究与应用

针对型腔模具电火花成形加工生产中电极数控编程历史知识和经验的重用问题,根据成组技术的原理,提出了基于三维形状检索的电极分类和检索解决方法。其原理是基于电极的三维模型,通过建立在三维极半径曲面矩上的形状特征提取算法,获取电极的形状特征向量,定义闵可夫斯基距离相似性度量算子,自动进行电极类别的划分,进而获取电极标准加工工艺模板。采用形状检索技术来进行电极数控加工工艺分类和检索,可避免人的主观性和片面性,计算速度快,并可获得较高的分类质量和准确的检索结果。     

Fabrication of disk microelectrode arrays and their application to micro-hole drilling using electrochemical micromachining

Minimal-taper microholes are widely used in modern industries. Electrochemical micromachining (EMM) has been demonstrated to be a feasible method to fabricate these microholes. In this study, based on its unique processing properties and productivity, a disk microelectrode array was fabricated via electrolysis for producing micro-holes. The dimensions of the cathode for hydrolysis were optimized by applying the finite element method to the constructed physical model. A 3 × 3 disk microelectrode array and a 5 × 5 cylindrical microelectrode array with uniform dimensions were then fabricated using the optimized cathode. Micro-holes were drilled on stainless-steel plates using both disk and cylindrical microelectrode arrays. The taper of the resulting micro holes obtained using the new disk microelectrode array was lower than that of the holes formed using the cylindrical microelectrode array. The effects of EMM parameters, including the applied voltage, feeding speed, and pulse-on time, on the hole diameter and taper were also investigated. The results suggest that appropriate machining parameters should be selected in consideration of the effects of these parameters on hole diameter, taper, localization, and material removal rate.     

铝基碳化硅异形电极电火花加工技术研究

为了改善电火花深小孔加工过程中,因加工碎屑排出不畅而导致的加工速度慢、电极损耗严重等问题,制备螺旋、三沟槽和削边三种形貌的异形结构电极。在相同的加工条件下,以铝基碳化硅为实验材料,采用异形结构电极与圆柱电极分别进行不同深度下深小孔加工实验,对加工效率、电极损耗和深小孔内表面形貌三方面进行对比分析。实验结果表明:异形结构电极在深小孔的加工效率和电极损耗方面都优于圆柱电极;小孔内表面形貌方面:圆柱电极加工后的孔内表面附着碎屑较多。     

三维柔性神经微电极阵列的制作

神经-电极接口是植入式微器件和生物电子器件中最关键的问题之一。但是目前常规的平面微电极阵列均为“三明治”结构,难以保证电极与靶神经细胞的良好接触,以致刺激或记录效果不理想。为了克服这一缺陷,本文提出了一种具有三维凸起结构的柔性神经微电极的制作工艺和方法。该方法采用光敏型聚酰亚胺（Durimide 7510）作为微电极的基质材料,通过硅各向异性腐蚀、光刻、腐蚀金属、电化学释放等工艺制成具有塔形凸起结构的微电极阵列。电极的塔形凸起结构可保证电极位点与靶细胞实现更紧密的接触。通过FEMLAB软件模拟和成品电极的阻抗谱测试,结果显示,相对于传统的平面微电极阵列,三维凸起微电极阵列具有更好的刺激效果。     

Fabrication of multiple electrodes and their application for micro-holes array in ECM

In this study, a two-step composite processing technology combining the EDM process and electrochemical etching is introduced to fabricate a micro-electrodes array. Firstly, rectangular columns measuring 0.2×0.2 mm are machined by the wire-EDM (electrical discharge machining) machine tool, then electrochemical etching is used to erode the microelectrodes array into cylindrical columns. Results show that microelectrodes ranging from hundreds of micrometers to several millimeters could be prepared. Then the machined microelectrodes are used as a cathode tool for electrochemical drilling of micro-hole arrays in electrochemical micromachining (EMM). Furthermore, various parameters affecting the performance of EMM are discussed in detail. Results indicate that the production of EMM improves by using multiple microelectrodes. The pulse current shows strong localization in micro-hole drilling and improves the machining accuracy.     

Development of microelectrodes for electrochemical micromachining

Electrochemical micromachining (EMM) has become more and more important in micro machining in recent years. Microelectrode as the tool of EMM is an essential cell in the machining process. In this study, microelectrodes with various end shapes are fabricated by different processing techniques. First, the different end shape forming methods for microelectrode, such as electrochemical etching, single electric discharge, and electrochemical micromachining are investigated. Second, microelectrodes with various end shapes fabricated above are simulated, analyzed, and then used in EMM process. At last, micro holes array with diameter of less than 10???m, three micro holes with no taper and a 3D microstructure are machined on metallic materials by above three types of microelectrodes.     

用于柱面镜面形检测的CGH的设计与误差分析

现代X射线掠入射成像式望远镜是由大量的圆柱面超薄玻璃镜面经压制成圆锥面组成的准Wolter-I型望远镜。为了完成超薄玻璃圆柱面的检测,设计了适用于干涉检测的计算全息图(CGH)。结合CGH的设计制作过程,分析了CGH的基底面形误差、刻蚀占空比误差、刻蚀位置误差、刻蚀深度等误差,并对占空比、刻蚀深度的参数做了具体的分析,通过对制作误差的分析选择了制作参数。采用设计制作的CGH和ZYGO干涉仪实现了X射线望远镜用柱面镜的检测,检测结果达到了柱面镜的使用要求。     

电化学腐蚀法制备微细群圆柱

提出了微细群圆柱结构电化学腐蚀加工法及其形状和尺寸控制方式。根据电化学腐蚀基本原理,通过有限元分析计算群圆柱电化学腐蚀加工过程中的电场分布,优化设计阴极形状。开展了电化学腐蚀法制备微细群圆柱结构的工艺试验,获得了良好的试验结果。     

准分子激光脉冲直写刻蚀速率与能量密度的关系

为了探索低成本、大深宽比加工方法,建立了实用的准分子激光微加工系统.以玻璃为实验靶材,用精密微动平台准确调节靶材位置,利用波长248nm的KrF准分子激光器,研究了准分子激光直写刻蚀过程中平均刻蚀速率与激光脉冲能量密度之间的关系.加工出的沟槽剖面形状均呈现锥型,单脉冲烧蚀速率随脉冲数的增加而减小,激光脉冲对材料的刻蚀具有能量阈值,加工槽的深度具有上限值.采用平行激光束或对加工过程进行动态控制还可实现矩形深槽或圆柱深孔的加工.